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纳米管加速发展

发布时间:2012-10-10

现在,从碳纳米管制造的晶体管具有与硅元件相竞争的电子特性, 使用分子电子元件的概念至少始自1974年,当时Ari AviramMark Ratner在纽约IBM,然后又在纽约大学提出了他们的理论,即把分子放在两块金属电极之间能起整流器作用。然而,单个分子在实验室被成功地连结到纳米级的电极上,竞花费了20多年的时间,困难在于制定信号分子的处理操作和仅以几个纳米大小建立分离电极的能力。

但是到1990年中期,令人振奋的新材料碳纳米管已经登场。碳纳米管恰象卷曲起来的直径几个纳米级的绘图纸片,直径仅为几个纳米的碳纳米管根据其电子排列既具金属又具半导体习性。辅以机械强度和纳米的长度,世界范围内的研究所很快把它们连结成大分子。

获取碳纳米管一种常见方法包括在用氧化层复盖的传导底物上制造输进输出的电极,然后把纳米管滴在底物上。经常叫闸门电极的底物,纳米管能起到象两片电容器的作用,因此随着对闸门使用不同的电压,在纳米管上携带的电荷数量发生变化。

测定半导体纳米管展现出并不希望的电流特性,包括提高闸门电压即增加几个数量级的电阻,早期元件的电流特点非常象常规金属—氧—硅场效应晶体管(MOSFETs,而且操作非常困难。

1998年由在Netherland Delft大学的Cees Dekker研究所发表了第一篇碳纳米管场效晶体管以来,已经在改进原件操作尤其在上两个月取得令人振奋的进展。这些努力出现在IBM工作的Phaedon Avouris和他的合作者的新近报道中,他们改进的碳纳米管FET可与目前使用的领先原型硅晶体管相竞争。(S Wind et.2002 .Phys.Appl Lett.80 3817)。

Aouriss研究小组研制的纳米管FET有了一种新方案,既类似于常规MOSFET结构,具有传导通道闸门。这一排列意味着纳米管和闸门之间的间隙能被做得非常小,因此使得的电阻对闸门电压的变化很敏感,的确,闸门和纳米管之间的偶合现在是强到足以放大信号。与此相对照,第一代纳米晶体管的输出电压的变化是太小,不能控制第二根晶体管的输入,因此纳米管不能被集成到电路中。

半导体纳米管典型的操作象P-型半导体,所以传导空穴而不是电子。这一习性是由于从大气中来的分子被吸附于纳米管上造成的,并掺杂电极的电荷转化。因为吸附分子影响原件的再生能力,所以它是个问题。然而,IBM在这一问题上也取得了进展,他们是采用把纳米管包埋在薄膜中和在真空中退火处理来控制分子吸附的,(V Derycke et al. 2002 Appl.Phys.Lett.80 2773)。Avouris和他的合作者发现,同样的工艺能用于制造n-型原件,它传导电子,象用碱金属掺杂纳米管的交流电方法。

或许在过去几年最重要的目标是曾制造出电子传导更好的元件。大电流意味着能产生大功率集成电路的更快速晶体管,早期纳米管元件的电流受纳米管内在电阻及在电极上的接触电阻的的限制。然而,最近先进的新工艺—如化学蒸气沉淀作用—已经产出高质量材料并改进了操作方法。例如,Michael Fuhrer和他的合作者最近在Maryland大学报道了生产比硅MOSFETs更高、迁移率高达20000cm2v-1s-1的碳纳米管。

在纳米管电极界面上减少电阻也已获得重大进展。Cornell大学的Paul McEuen和斯坦福大学的Hongjie Dai已生产出大直径的纳米管,它具有更小的带隙和更薄 “肖特基势垒”,使电荷更容易经过纳米管和金属电极之间的势垒。由IBM研究小组提出的另一条线路是与钛电极相关的内能热,具有新闸门方案的设备,它处理这种方法自夸电流达到3uA并可与最好的初型硅晶体管相竞争。
所有这些努力已能把不同的纳米管组装到基本的逻辑电路中去,这是朝向纳米电子的重要一步,在DelftIBM和洛杉矶南加里福尼亚大学的Chongwu Zhou小组制造的这些线路包括:变换器、逻辑NOR、静电随机存取记忆电池和环状振荡器。

尽管纳米管电路的成功制造留下了极大的挑战性,这一方向的先进性更不用说精彩异常。但的确现时的工艺远远没有达到大型生产的要求。例如,为了获得能传导与微型宽硅晶体管同样量的电流,我们需要合成具有相当宽度平行管的2D芯片,同时,仍不可能去控制合成纳米管的电流性质,其结果是金属和半导体管的混合体。或许,最主要的问题是,当在设备制造中如何把管放入预先设定的位置时缺乏控制。

大量的努力正在朝这一目标前进。为改进碳纳米管FETs目前甚至将来的性能,许多大学和工业企业都在努力工作。已经看到,在过去的四年中已取得令人惊异的进展,而在将来会听到更多的发现。

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